13 de agosto de 2000
Una imagen de alta resolución esclarece el motor catalítico del ribosoma
La imagen en primer plano muestra la arquitectura del complejo entre ARN y proteína de la subunidad ribosomal grande, con el sitio activo resaltado. El fondo muestra un diagrama esquemático del sitio activo de la peptidil transferasa del ribosoma.
Utilizando un haz de rayos X de alta energía para explorar
frágiles cristales de ARN y proteína, unos investigadores
han obtenido las imágenes más detalladas que se han
producido de la fábrica celular en la cual los
aminoácidos son ligados como los eslabones de una cadena para
formar las proteínas.
Los estudios esclarecen la estructura básica del ribosoma,
una máquina productora de proteínas que se encuentra en
todas las células. Estos descubrimientos proveen la primera
prueba inequívoca de que el ribosoma es una ribozima, una enzima
de ARN.
En dos artículos publicados el 11 de agosto de 2000, en
Science, los investigadores conducidos por Thomas A. Steitz,
investigador del Instituto Médico Howard Hughes, en la
Universidad de Yale, informan que han obtenido la estructura
atómica de la subunidad 50S del ribosoma, en una
resolución de 2,4 angstroms. Un angstrom es la
diezmilmillonésima parte (10-10) de un metro.
El ribosoma es un gran complejo molecular de ARN y proteína.
Cuando los ribosomas se aíslan de los extractos celulares, se
obtienen dos fracciones distintas que representan dos subunidades. La
subunidad más pequeña 30S une tanto al ARN mensajero, que
constituye el programa genético de la proteína, como al
ARN de transferencia que transporta cada aminoácido
específico que se agregará como un nuevo eslabón,
a la cadena de la molécula creciente de proteína. La
subunidad más grande 50S cataliza la formación del enlace
entre cada aminoácido y la cadena creciente de
proteína.
Steitz y sus colegas en la Universidad de Yale utilizaron el haz de
2,5 mil millones de electrovoltios, de la Fuente Nacional de Luz
Sincrotrón del Laboratorio Nacional de Brookhaven para realizar
la cristalografía de rayos X de las subunidades 50S, que fueron
producidas con átomos de osmio e iridio unidos para que
actúen como indicadores. Los datos adicionales fueron
recopilados utilizando la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio
Nacional de Argonne.
Para realizar la cristalografía de rayos X, los cristales de
la proteína se bombardean con haces intensos de rayos X. A
medida que los rayos X pasan a través del cristal o rebotan con
los átomos del mismo, emiten un patrón de
difracción que, entonces, se puede analizar para determinar la
forma tridimensional de la proteína.
"Nuestros mapas anteriores de la subunidad 50S, con una
resolución de nueve y cinco angstroms, nos proveyeron de algunas
pistas sobre la estructura, pero sólo pudimos resolver la
estructura atómica de todos los 100.000 átomos, que se
encuentran ordenados en el cristal, cuando alcanzamos una
resolución de 2,5 angstroms", dijo Steitz. "Esta estructura es
alrededor de cuatro veces más grande que cualquier otra
estructura semejante que jamás haya sido determinada, y los
3.000 nucleótidos de ARN aumentaron la cantidad de estructura
conocida de ARN en alrededor de 4 a 5 veces".
Según Steitz, el proceso para alcanzar tal alta
resolución requirió mejorar cuidadosamente el
procedimiento para crecer cristales más grandes y más
completos del ribosoma, y resolver las estructuras de esos cristales
con una resolución progresivamente más alta. Cada mapa de
baja resolución proporcionó información que pudo
ayudar a los científicos a entender el mapa de alta
resolución final, dijo.
"Pienso que lo que nos sorprendió en cada etapa era la
complejidad abrumadora del plegamiento del ARN en el ribosoma", dijo
Steitz. "No obstante, pienso que la observación más
sorprendente fue que las proteínas estaban encajadas en las
hélices de ARN, penetrando hacia el interior del ribosoma como
tentáculos".
"Tal penetración de proteínas explica por qué
los investigadores anteriores no habían podido demostrar que el
ribosoma dependía sólo del ARN como su molécula
catalítica", dijo Steitz.
"Desde que Thomas Cech (presidente del HHMI) demostró que el
ARN podría tener actividad catalítica, habíamos
sospechado que la subunidad 50S era básicamente una ribozima",
dijo Steitz. "Sin embargo, no existían pruebas. Nadie
había podido demostrar que el ARN por sí mismo mostraba
características catalíticas, en ausencia de la
proteína. Ahora podemos ver que, posiblemente, parte del
problema era la naturaleza de las proteínas que mantienen unido
al ribosoma".
"Nuestra estructura muestra que estas proteínas están
encajadas profundamente en el ARN y que son esenciales para su
plegamiento. Y demuestra claramente que el ribosoma es una ribozima
porque podemos ver dónde se une el substrato y también
vemos que no hay ningún átomo proteico lo suficientemente
cerca de ese sitio, para producir alguna actividad
catalítica".
La estructura también proporciona intrigantes revelaciones
sobre cómo el ribosoma pudo haberse desarrollado originalmente,
quizás como máquina para hacer proteínas cortas o
péptidos, dijo Steitz.
"Experimentos anteriores realizados por Cech y otros investigadores
habían demostrado que era posible crear moléculas de ARN
que tuvieran algunas de las características catalíticas
del ribosoma, en la síntesis de péptidos", dijo. "Ahora
podemos ver en esta estructura que algunos aspectos del ribosoma
natural reflejan algunas características de esas
moléculas de ARN, producidas a través de evolución
in vitro. De esta manera, no es descabellado pensar que una
molécula pequeña de ARN halla podido desarrollarse para
catalizar la síntesis de enlaces peptídicos".
"Sin embargo, esa molécula de ARN productora de
péptidos no habría sido dirigida por mensajeros de
algún genoma primitivo", agregó. "No tenemos idea
cómo la evolución logró avanzar desde la
producción azarosa de un péptido hasta la síntesis
dirigida por el mensajero".
Según Steitz, la última estructura de alta
resolución ofrece una vía hacia una comprensión
mucho más profunda de la maquinaria de ensamble de
proteínas. Los investigadores están planeando otros
estudios para entender cómo el ARN mensajero y los componentes
de la proteína en crecimiento se orientan en el sitio activo, o
catalítico, del ribosoma. También explorarán
cómo la estructura del ribosoma influencia las
características químicas de los grupos moleculares en el
sitio activo. Además, los científicos intentarán
entender cómo la multiplicidad de moléculas de agua y de
iones magnesio y potasio se integran en el ribosoma y lo
estabilizan.
"Ciertamente no hemos terminado con los desafíos
científicos presentados por el ribosoma", dijo Steitz. "Aunque
debo decir que me siento como si, en este momento, estuviéramos
parados en el monte Everest y ahora estuviera tratando de encontrar el
K2".
Imagen: Nenad Ban, Poul Nissen, Jeffrey Hansen, Peter B. Moore, Thomas A. Steitz
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